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Elaborazione dati
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06/10/2010 Carla Guerrini Informatica di Base
Elementi di informatica di base
� Hardware del calcolatore
� Cenni sui sistemi operativi
� Reti di calcolatori, Internet e web
� Codifica dell’informazione
� Programmi applicativi
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Bibliografia
� Curtin, Foley, Sen, Morin, Informatica di base, Mc Graw-Hill (1999)
� Ceri, Mandrioli, Sbatella, Informatica arte e mestiere, Mc Graw-Hill
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Aree disciplinari dell’informatica (ACM)
� Algoritmi e strutture dati
� Architettura degli elaboratori
� Intelligenza artificiale
� Basi dati e sistemi per il ritrovamento dell’informazione
� Grafica computerizzata
� Interazione uomo-calcolatore
� Sistemi operativi e reti
� Linguaggi di programmazione
� Ingegneria del software
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Hardware
� Hardware: qualsiasi dispositivo fisico in grado di eseguire una attività nell’elaborazione dell’informazione all’interno di un elaboratore elettronico digitale
- elaboratore: macchina in grado di immagazzinare dati e istruzioni (programma memorizzato)
- elettronico: utilizza componenti elettronici
- digitale: le informazioni, le istruzioni ecc. sono codificate sottoforma di numeri binari (bit: 0,1)
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Software
� Sequenza di istruzioni che guidano l’hardware e definiscono con precisione l’esecuzione di un dato compito
� 1) Sistema operativo: Microsoft Windows, MacOS, Linuxgovernano la macchina, permettono di installare programmi applicativi che servono per svolgere le varie funzioni
� 2) Programmi applicativi: Word, Excel,PhotoShop, Access, Page Maker.
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Tipi di elaboratori
� Supercomputer: hanno elevatissime capacità di calcolo e di solito contengono più unità di calcolo. Esempi: Cray, SPM ( calcolatori paralleli) presso il CINECA (Centro Interuniversitario di Calcolo, Bologna). www.cineca.it
� Mainframe:potente elaboratore che svolge funzioni centralizzate come gestione della contabilità o amministrative
� Server: è una denominazione della funzionalità del computer che gestisce altri computer in rete.
� Personal Computer(PC):computer di basso costo che possono elaborare in modo autonomo. Esempi: Desktop, workstation
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I personal computer
� Desktop : progettato per stare su una scrivania
� Workstation computer di alto rendimento e piccole dimensioni utilizzato per sviluppare grafica o applicazioni scientifiche
� Notebook: leggeri e maneggevoli dotati di batterie ricaricabili (sono portatili)
� Computer tascabili
� Palmari (PDA)
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La macchina di Von Neumann
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La macchina di Von Neumann
Componenti fondamentali:
� Unità di elaborazione (CPU):contiene I dispositivi elettronici in grado di acquisire, interpretare ed eseguire le istruzioni. E’ divisa in due parti: Unità di controllo (UC) e Unità Aritmetico – logica (ALU).
� Memoria centrale: contiene istruzioni e dati.
� Periferiche: permettono lo scambio di informazioni fra l’elaboratore e l’esterno. Le periferiche comprendono anche le memorie secondarie o memorie di massa.
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CPU e Memoria
� Nella macchina di Von Neumann le fasi di elaborazione si succedono in modo sincrono rispetto alla scansione temporale di un orologio di sistema (Clock).
� Modelli evoluti di questa architettura prevedono di introdurre varie forme di parallelismo, cioè esecuzione contemporanea delle attività di elaborazione.
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La memoria centrale
Concettualmente è una sequenza di celle, ciscuna delle quali contiene una parola (word).
� Le parole di uno stesso elaboratore hanno tutte la stessa lunghezza (32 o 64 bit di solito).
� Ciascuna cella di memoria puo’ essere indirizzata, cioèviene associata in modo univoco ad un indirizzo.
� L’indirizzamento della memoria avviene tramite un registro, detto registro degli indirizzi.
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La memoria centrale :schema di funzionamento
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Anatomia di un elaboratore
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Il sistema binario
� L’informazione viene codificata in modo binario, ossia in una sequenza finita di 1 e di 0.
� La più piccola unità di informazione memorizzabile o elaborabile è il bit (binary digit) che corrisponde allo stato di un dispositivo fisico che ha due possibili stati:
differente tensione elettrica (alta o bassa in memoria centrale), differente stato di polarizzazione magnetica (positiva o negativa nelle memorie secondarie), alternanza fra luce e buio nella trasmissione dati.
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Le cifre binarie
� L’unita’ minima del linguaggio digitale e’ il bit.
� 1 byte= 8bit
� 2 10 byte= 1 Kilobyte (1KB)
� 2 10 KB=1 Megabyte (1MB)
� 2 10 MB= 1 Gigabyte (1GB)
� 2 10 GB= 1 Terabyte (1 TB)
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Codici in uso
� Il numero binario assegnato ad un carattere varia a seconda del codice utilizzato:
� ASCII (american standard code for informationinterchange) sviluppato dall’ANSI
� EBCDIC (Extended binary coded decimalinterchange code) usato nei mainframe e nei server più potenti
� UNICODE è in grado di coprire le principali lingue scritte del mondo( è utilizzato da windows NT)
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Codifica ASCII
� ASCII è l'acronimodi American Standard Code forInformationInterchange (ovvero Codice Standard Americano per lo Scambio di Informazioni),
� Ci sono 95 caratteri ASCII stampabili, numerati da 32 a 126
� Extended ASCII i caratteri aggiunti sono vocali accentate, simboli semigrafici.
� E’ codificato in 8 bit
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Unità centrale di elaborazione
� Costituita da un microprocessore ricavato da una sottile lamina di silicio ciascuna delle quali contiene milioni di transistor collegati da tracce di alluminio.
� Nel 1971 per ogni chip c’erano 2300 transistor oggi ce ne sono 7milioni e mezzo rendendolo 1000 volte più rapido.
� Tipi di processori: Intel,Apple, Sun, Motorola,
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Coprocessori e processori paralleli
� Microprocessoriche affiancano quello esistente che sotto il controllo della CPU svolgono compiti specifici, che di norma porterebbero a rallentare l’elaborazione (visualizzatori di immagini e suoni)
� I processori parallelipossono condividere alla pari le altre risorse del sistema operando indipendentemente
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Coprocesssore e multiprocessore
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ROM e RAM
� ROM (Read Only Memory) memoria statica inalterabile detta anche non volatile. Il contenuto è predisposto dalla casa costruttrice, contengono programmi di uso frequente (firmware) eseguiti al momento dell’accensione
� RAM (Random Access Memory) o memoria centrale detta memoria volatile
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Tipi di memoria
� DRAM(Dynamic RAM) le celle di memoria mantengono i dati solo per breve tempo e devono essere aggiornate centinaia di volte al secondo, possono essere di tipo FPM(Fast page mode), EDO(Extended data Out),SDRAM(SynchronousDram)in grado di sincronizzarsi con il clock che controlla la CPU, RDRAM(Rambus DRAM) piùrecente e veloce perché invia i dati attraverso un canale con ampia banda (velocità 10 volte la dram standard)
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� SRAM( Static RAM) più grande, veloce e costosa, è statica cioè non necessita di essere continuamente aggiornata. Generalmente utilizzata in un’area di memoria detta cache e i dati sono conservati anche quando il computer èspento
� VRAM (Video RAM) per accelerare la visualizzazione di oggetti grafici sullo schermo
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Moduli di memoria
� SIMM(Single In-line Memory module) vengono usati in coppie
� DIMM ( Dual In-line Memory Module) possono essere usati singolarmente
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Memoria
� Memoria virtuale: esiste logicamente, solo le parti del programma, necessarie per l’esecuzione in quel determinato istante, vengono caricate in memoria il resto viene immagazzinato in un’area del Hard-disk (area di swap)
� Cache: memoria ad alta velocità localizzata tra la memoria centrale e la CPU, quando il programma richiede dei dati prima cerca nella cache, se li trova (cache it) procede se non ci sono (cache miss). Cache di livello1 : fa parte del microprocessore e generalmente èin grado di contenere 256 kb, Cache di livello 2 (o esterna) in speciali alloggiamenti della scheda madre contiene fino a 1 Mb
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Memoria
� Buffer: alcuni programmi assegnano ad una piccola parte della RAM la funzione di buffer, per esempio quando i dati vengono immessi da tastiera, oppure quando si taglia-e-incolla o copia-e-incolla un documento (clipboard)
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L’Unità centrale di elaborazione (CPU)
La CPU contiene:
• Unità di Controllo (UC)
• Unità aritmetico logica (ALU)
• Clock di sistema
• REGISTRI : piccola porzione di memoria capace di memorizzare una sequenza di bit( 1 o più parole)
� Registro dati (DR)
� Registro indirizzi (AR)
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Interazione fra CPU e Memoria
� Decodifica (Decode):l’UC interpreta l’istruzione e trasferisce i dati a cui questa fa riferimento dallamemoria alla ALU.
1. Esecuzione (Execute):la ALU esegue l’operazionelogica o aritmetica richiesta dall’istruzione.
2. Memorizzazione (Store):I risultati delle operazionisvolte sono memorizzati nella memoria.
3. Caricamento (fetch): l’UC preleva l’istruzionesuccessiva presente in memoria
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CPU(I)
� Registro istruzione corrente(CIR). Contiene, istante per istante, l’istruzione in esecuzione.
� Contatore di programma (Program Counter PC). Contiene, istanteper istante, l’indirizzo della prossima istruzione che deve essereeseguita.
� Registro contatore di programma(Program Counter PC). Contiene, istante per istante, l’indirizzo della prossima istruzione chedeve essere eseguita.
� Registro interruzioni (Interrupt register INTR). Contieneinformazioni sullo stato delle periferiche.
� Registri contenenti operandi e risultatidelle ultime operazionifatte.
� Registri di lavoro.
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CPU ( II)
� La velocita’della CPU viene misurata in Megahertz (milioni di cicli al secondo, misurati con il clock del processore).
N.B. Processori di tipo diverso non vanno confrontati sullabase del ciclo di clock.
� MIPS (milioni di istruzioni per secondo)
� Legge di Joy: la velocità di esecuzione
MIPS=2(anno-1984) ( fino ad ora è stata rispettata)
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BUS di input e output
Sono dei collegamenti che consentono la trasmissione dell’informazione tra i vari componenti del sistema. Comprende linee di indirizzo e linee di dati. Il numero di linee di dati determina l’ampiezza del bus(i primi bus erano a 8bit, ora sono a 32 bit per adeguarli alla velocitàdel processore)
� Bus dati: trasferisce dati� Bus indirizzi: trasferisce indirizzi, es. contenuto dei
registro indirizzi dalla (ALU) alla memoria� Bus controlli: trasferisce un codice corrispondente
all’istruzione da eseguire
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Slot e adattatori
� Slot di espansione sono collegati direttamente al bus del sistema servono per aumentare le prestazioni o personalizzare il computer
� Adattatori sono schede che possono contenere drive, visualizzare colori e grafica, o per collegare altre periferiche
� Tecnologia plug and play, la maggior parte dei sistemi sono in grado di riconoscere un nuovo dispositivo e di installarlo configurando automaticamente i nuovi hardware. Questa tecnologia richiede un sistema operativo, un BIOS cioè una porzione di ROM che ha il compito di controllare lo stato dell’hardware presente e i dispositivi da installare
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Sistemi multimediali
PC dotato di scheda audio, CD-rom e acceleratore grafico
� Acceleratore di grafica: scheda dotata di un processore proprio che alleggerisce il carico della CPU del sistema.
� Lettore CD-rom: filmati, animazioni, suoni occupano molto spazio e devono risiedere nello stesso supporto
� Schede audioper ottenere audio di alta qualità a cui collegare i diffusori che devono essere esterni perchécontengono magneti che possono danneggiare il sistema
�
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Le porte del computer
� Porte seriali: dette anche di comunicazione asincrona (RS 232) servono per collegare i modem e alcuni tipi di stampanti: Utilizza solo due linee per inviare e ricevere dati(linee telefoniche) inviano solo un bit per volta.
� Porte parallele: (interfacce centronics) trasmettono 8 bit per sec. La lunghezza del cavo non può superare i 30 metri(mentre un cavo seriale può arrivare ai 300 metri)
� Porte SCSI(Small Computer System Interface) che permettono di collegare più componenti ad una stessa porta grazie a un processo detto daisy chaining in modo da ridurre il numero di slot occupati.
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Le porte del computer (II)
� Porte USB: (Universal Serial Bus) usano cavi sottili e permettono di collegare dispositivi in serie e trasmettono dati più velocemente delle altre, distribuendo anche la corrente. Si possono collegare sino a 127 dispositivi in serie, non si può utilizzare per i cd-rom e apparecchi video ad alte prestazioni, opera a 12 Mps ed è economico.
� Porte Fireware: più potente della USB serve per collegare più dispositivi dotati di ampia banda passante (connessioni Internet ad alta velocità)
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Le memorie secondarie
Comprendono due elementi distinti:
� Il dispositivo– ha la funzione di leggere e scrivere i dati
� Il supporto– componente fisico su cui vengono immagazzinati i dati
1) memoria magnetica
2) memoria ottica
3) memoria magnetico ottica
4) memoria allo stato solido
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Memoria magnetica
Due magneti si attraggono o si respingono secondo il segno dei poli ( polarità).
La registrazione su disco o su nastro avviene mentre il disco/nastro gira, la testina di scrittura/lettura emette impulsi elettrici che invertono la polarità delle particelle presenti sul supporto, gli allineamenti delle particelle rappresentano i dati in forma binaria. Quando il file registrato viene aperto le particelle inducono nella testina una corrente elettrica che viene trasmessa al computer.
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Memoria ottica
La registrazione avviene per mezzo di un raggio laser che crea sottili scanalature sulla superficie del disco, si crea così una alternanza di zone chiare e scure 0/1. Un misuratore fotoelettrico misura i diversi gradi di rifrazione della luce che vengono convertiti in forma binaria
(LASER-Light Amplification by StimulatedEmission of Radiation)
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Memoria magneto-ottica
Facilmente cancellabili e riutilizzabili, sono dispositivi longevi, rimovibili e ad alta capacità. Per registrare i dati il laser riscalda la superficie del disco fino a quando la testina di lettura/scrittura modifica la polarità delle particelle. Quando la superficie si raffredda è impossibile che l’influsso di altre fonti magnetiche possa alterare o cancellare i dati. Rispetto ad altre forme di memorizzazione risulta più sicuro
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Memoria allo stato solido
Sono costituite da chip simili a quelli utilizzati per la memoria centrale (RAM) ma in grado di registrare i dati in modo permanente, non hanno parti mobili e sono piùrapidi.
� PC card (PCM-CIA) utilizzate nei portatili al posto dei dischi rigidi o nelle telecamere e fotocamere digitali
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Caratteristiche della memoria
Accesso diretto (random) o accesso sequenziale
Dischi e nastri devono essere formattati cioè occorre suddividere la superficie in tracce e settori (registrazione a zona multipla o a bit di zona)
Velocità dipende dalla velocità di rotazione e dal tempo di posizionamento
Capacità dipende dalla densità e dalla grandezza della superficie
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CD-ROM e DVD-ROM
Sono preferiti dai produttori di software perché piùdifficili da copiare illegalmente, non consentono la trasmissione di virus.
� CD-ROM – possono archiviare sino a 720 megabyte
La velocità di lettura dipende dal dispositivo fisico segnalato sull’unità(4x, 8x, 16x..)
CD-R : vengono scritti una volta sola, servono per aziende che archiviano i loro dati costituisce una garanzia di sicurezza.
CD-RW : registrabili e cancellabili il materiale che li costituisce viene portato da uno stato cristallino a uno stato amorfo
DVD (digital video disk): i dati vengono registrati in forma compressa raggiungendo una capacità di 17 Gygabyte cioè 30 volte quella di un cd-rom
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Compressione del disco: una volta eseguito l’apposito programma di utilità le operazioni di compressione diventeranno automatiche.
Compressione del file: con apposito programma si possono creare archivi in cui i file vengono memorizzati automaticamente in formato compresso.
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Backup dei dati: perché fare il backup
� I Pc portatili e i desktop sono oggetto di furto
� Persone non autorizzate possono manomettere i dati che un PC contiene
� Il sistema può venire infettato da un virus, alcuni sono creati per distruggere tutti i dati che contiene un PC
Archiviazione off-site consiste nel riporre la copia in luogo distante perché un eventuale furto o incendio non compromettano il salvataggio. Generalmente si utilizzano unità zip, dischi magneto-ottici o nastri.
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Smart Card
Scheda intelligente caratterizzata da una immagine stampata e da un messaggio pubblicitario, contiene un circuito integrato che immagazzina informazioni per ora sino a 3200 parole, una riproduzione dell’impronta digitale di un dito o la scansione della pupilla dell’utente. Sono impiegate
� Come carte di credito
� Carte di identità
� Archiviazione di cartelle cliniche
� Attivazioni di telefoni cellulari
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Memorie di massa o dischi fissi
Chiamati anche Hard-disk in continua evoluzione volta ad aumentare la velocità e la capacità. Dall’interfaccia di comunicazione dipende la velocità di accesso
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Hard disk
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Backup dei dati: perché fare il backup
� I Pc portatili e i desktop sono oggetto di furto � Persone non autorizzate possono manomettere i dati che
un PC contiene� Il sistema può venire infettato da un virus, alcuni sono
creati per distruggere tutti i dati che contiene un PCArchiviazione off-site consiste nel riporre la copia in luogo
distante perché un eventuale furto o incendio non compromettano il salvataggio. Generalmente si utilizzano unità zip, dischi magneto-ottici o nastri.
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Gestione gerarchica della memoria
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Dispositivi di Input
Sono tanti i più comuni sono:
• Tastiera:
• Fax
• Mouse
• Scanner
• Strumenti di riconoscimento vocale
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Dispositivi di output
� Stampanti
� Video
� Emissione dati in forma sonora
� Istruzioni ad altri dispositivi
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Riconoscimento ottico dei caratteri (OCR) (optical character recognition)
OCR-Viene effettuato con uno scanner attraverso un programma OCR in due
fasi:• La scansione produce una immagine grafica detta bitmap• OCR effettua l’analisi delle zone chiare e scure della pagina per
determinare le parti testuali e le parti grafiche• OCR ricerca nella libreria le matrici di carattere corrispondenti ai
caratteri incontrati• Estrazione dei tratti distintivi, costruzione di un alfabeto equivalente• Visualizzazione con simboli speciali di caratteri non identificati• Salvataggio nel formato di un programma di video scrittura
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Dispositivi di input (II)
� Lettori di codice a barre convertono i codici in forma elettronica per essere processate da un computer, esistono diversi tipi di codici a barre:
� EAN (European Article Number) sistema a 8-13 cifre per identificare i prodotti di consumo
� Codice 39 utilizza nove gruppi di tre barre e’ molto diffuso perché funziona anche se il codice non è stampato correttamente.
� Codice Posnet (servizio Postale USA)
Sono letti da penne ottiche, pistole laser, lettori CCD e FFO
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Riconoscimento vocale
� Indipendente all’interlocutore o
� Programmati per riconoscere la voce di un singolo utente occorre allenare l’elaboratore a riconoscere la pronuncia, le parole sino a un max di 120000 vengono visualizzate sullo schermo e devono essere pronunciate ad alta voce. La pronuncia viene digitalizzata e messa in memoria come matrice vocale, in seguito quando si parla al computer le espressioni vocali vengono associate alle matrici presenti in memoria. Vengono utilizzati sia un modello linguistico sia un modello acustico.
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Input grafici
Gli oggetti grafici realizzati con strumenti tradizionali vengono convertiti in forma digitale attraverso scanner.
La qualità di uno scanner dipende dalla risoluzione
� Risoluzione ottica è proporzionale al numero di sensori CCD (Chargecoupled device-misura la luminosità dei pixel) Esempio uno scanner con 3400 sensori che legge un foglio di 8.5 pollici (22 cm) ha una risoluzione ottica di circa 400 punti per pollice (dpi=dots per inch)
� Risoluzione massima è apparente ottenuta con un processo di interpolazione che aggiunge pixel all’immagine il cui colore èdeterminato in base alla media cromatica degli elementi circostanti
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Input grafici II
� Profondità di colore :indica il numero di colori che uno scanner è in grado di riconoscere e ricreare digitalmente, dipende dal numero di bit assegnato ad ogni pixel
� Una immagine 22x28 cm a 8 bit richiede 8 megabyte se a 24 bit occorrono 100 megabyte
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INPUT
Strumenti di puntamento (par. 4.6)
1. Mouse
2. Puntatori di gomma
3. Joystick ecc.
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Dispositivi di output
1. Schermo o monitor (par. 4.10)
� con tubo a raggi catodici (CRT);
� a schermo piatto. 4 princiapli tipi di tecnologie: display a cristalli liquidi, a plasma a colori, elettroluminescenti, a emissione di campo.
2. Stampante (4.12-4.14)
� Laser
� A getto d’inchiostro
� A matrice di punti
3. Plotter
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Output: testi
� Font: tipo di carattere con uno stile e una forma propri.Caratteristiche:
� Tipo :esempi più comuni: Courier, Times Nedw Roman, Arial, Franklin, Bookman….
� Stile: Normale, Grassetto, Corsivo,…
� Dimensione: 24 punti, 14 punti, 40 punti….
Font bitmap: i caratteri sono costituiti da matrici di puntiFont scalabili: sono rappresentati con formule che descrivono la
struttura, quindi ridimensionabili. Un programma detto rasterizzatorelo converte dalla formula a un mappa di bit ( es. Adobe TypeManager per i font postscript e True Type )
WYSIWYG ( what you see is what you get)
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Output grafico : la risoluzione
� Risoluzione: indica la qualita’ di un’immagine visualizzata sulloschermo o stampata.
� Pixel (picture element): lo schermo e’ diviso in pixel.
Risoluzione di 640x480 (VGA), 800x600 (SVGA) , 1280x960 . . .
Il numero totale di pixel nello schermo dipende dalla risoluzioneutilizzata.
Ad ogni pixel viene assegnato un indirizzo (bit mapping)
� Punti per pollice (dots per inch (DPI)): misura la risoluzione di unastampante.
Risoluzione 600dpi, 1200 dpi . . .
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Output grafico: la risoluzione
� Rapporto tra risoluzione e grandezza dell’immagine:
� Uno schermo utilizza tra 50 e 100 pixel per pollice
� Stampante a getto d’inchiostro tra 100 a 200 dpi
� Stampante laser tra 200 e 1200 dpi
� Macchine tipografiche tra 1000 e 2400 dpi
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Colori e memoria
Il numero di pixel contenuti in memoria e il numero di colori che possono essere visualizzati sono limitati dalla quantità di memoria video
� Una immagine b/n 640x480 cioè 300 mila pixel un solo bit x pixel occorrono 37.5 kb
� Una immagine 1024x768 circa 800 mila pixel con 24 bit per pixel occorrono circa 2.5 megabyte di memoria video
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Monitor
� CRT: tubo a raggi catodici
� Display a cristalli liquidi (LCD) i cui colori sono generati da un sottile strato di fosfori rossi verdi e blu, tra i vari tipi:
1. Schermi a matrice passiva TN-LCD e STN-LCD
2. Schermi a matrice attiva TFT-LCD e AA-LCD
Vantaggi: basso costo, ridotti consumi energetici alto contrasto, velocità di scrittura e leggibilità
Svantaggi: ristrettezza dell’angolo visivo e difficoltà a produrre schermi privi di difetti.
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Risoluzione dello schermo
� VGA: 640x480 per schermi di piccole dimensioni (tutti sono in grado di utilizzarla)
� SVGA 800x600 comune nei monito a 15-17 pollici
� XGA (extended graphics array) 1024x 768 (introdotta d a IBM per sistemi di fascia alta)
Schermi a frequenza fissa , e a multifrequenza che si adattano a segnali video provenienti da diverse schede.
Il pannello di controllo di windows permette di modificare le impostazioni dello schermo